JP2013501203A - ガスタービン燃焼チャンバ - Google Patents

Abstract

ガスタービン燃焼チャンバは、ハウジング（１）と、当該ハウジングに収容された火炎管（２）と、当該火炎管を少なくとも部分的に取り囲み、かつその両端面側の端部（３．１，３．２）でハウジングに固定されている有孔板（３）とを備える。

Description

本発明は、ハウジングと、当該ハウジングに収容された火炎管と、当該火炎管を取り囲み、かつ端面側の端部でハウジングに固定されている有孔板とを有するガスタービン燃焼チャンバと、そのようなガスタービン燃焼チャンバを有するガスタービン、特に固定して設けられるガスタービンとに関する。

ガスタービンにおいては、流体、通常は空気それゆえ以下では一般化して燃焼空気と呼ばれるものが、まずより高い圧力レベルに圧縮され、燃焼空気・燃料混合気として燃焼チャンバで燃焼され、その後タービンで排ガスのエンタルピーが機械エネルギーに変換されて有効出力として利用される。

その際燃焼チャンバは、圧力レベルと燃焼とによって、高い圧力負荷と温度負荷とを被る。それゆえ従来技術においてはこれまで、燃焼チャンバのハウジングを、内部および／あるいは外部の補剛リブによって強化することと、耐高熱性の材料を用いることと、燃焼ゾーンを画定しかつハウジングを少なくとも部分的に燃焼熱から遮断する、いわゆる火炎管をハウジングに備えることが通例である。

セラミックスの温度保護層とフィルム冷却のほかに、たとえば特許文献１から、火炎管の衝突冷却が知られている。このために、火炎管を取り囲む有孔板が備わっている。圧縮された燃焼空気は、外部から有孔板の開口部を通って火炎管に吹きつけ、火炎管を冷却し、その後に径方向の旋回発生器を通って火炎管内室もしくは燃焼室に供給され、そこで燃焼される。

特許文献２は、ハウジングと、当該ハウジングに収容された火炎管と、当該火炎管を取り囲む円錐形のシリンダであって、下流の領域に、火炎管の直径が小さくなる領域を衝突冷却するための開口部を備え、かつ端面側の端部でハウジングに固定されているシリンダとを有するガスタービン燃焼チャンバを示している。折り畳まれた領域によって、シリンダの軸方向の可塑性がもたらされ、熱による膨張を可能にする。シリンダはその別の端面側の端部と、タービン出口で合流する。

特に、図１が示すような、径方向外側にありかつ独立した燃焼チャンバを有する、固定して設けられるガスタービンでは、図１で表わされる補剛リブ１１０の付加的な重量が問題である。なぜならば、それによって、別個の燃焼チャンバの操作が困難となり、かつ支えられるべき回転モーメントによってタービンのハウジングに繋いでおくことに負荷がかかるからである。

国際公開第２００８／０２８６２１号 米国特許第６１３４８７７号明細書

それゆえ本願発明の課題は、ガスタービンもしくはその燃焼チャンバを改良することである。

この課題を解決するために、請求項１のおいて書きに記載のガスタービン燃焼チャンバが、請求項１の特徴によってさらなる形成がされている。請求項１４は、本発明に係る少なくとも１つのガスタービン燃焼チャンバを有するガスタービンを保護し、従属請求項は有利なさらなる形態に関する。

本願発明は、有孔板が支持構造として両側でハウジング構造に包まれ、もしくはハウジング構造に取り付けられて、ハウジングの構造上の剛性および／あるいは強度が向上することによって、これまで不可欠な、ハウジングの補剛リブを削減あるいは代替するという考えを基礎にしている。

このために本発明に係るガスタービン燃焼チャンバは、ハウジングと、当該ハウジングに収容された火炎管と、当該火炎管を少なくとも部分的に取り囲み、かつその両端面側の端部でそれぞれハウジングに固定されている有孔板とを備える。それによって、有孔板は、特にその両端面側の端部の間の軸方向の負荷を伝達して、ハウジングに伝えることができ、当該ハウジングはそれによって負荷が軽くなる。

付加的に、流れガイドと冷却のための有孔板が、本発明に従えば、ハウジングの負荷を伝達するためにも使われ、かつそのために両側でハウジングに繋がれることによって、過度の内部リブあるいは外部リブによってその重量を増やすことなく、ハウジングの強度および／あるいは剛性を向上できる。

既述のように、これは、ガスタービン燃焼チャンバが、径方向外側にある別個の燃焼チャンバとして形成されており、そのハウジングが、ガスタービン周辺に対して１つあるいは複数の部分から成る外部ハウジングを形成する場合に、特に有利である。

好ましい実施形態においては、有孔板は少なくとも、火炎管の一次燃焼領域において、火炎管の衝突冷却のための冷却用開口部、特に孔および／あるいはスリット開口部を備える。好適には冷却用開口部の適切な配置および／あるいは寸法付けによって、たとえば軸方向に隣り合う冷却用開口部の角度変位によって―その結果有孔板が網構造を備える―、あるいは軸方向に一列に並んだ冷却用開口部によって―その結果有孔板は軸方向に貫く帯状部を備える―、有孔板の軸方向および／あるいは円周方向にスリットを入れることによって、および／あるいは冷却用開口部の数および／あるいは直径を制限することによって、特に軸方向の、有孔板の剛性と強度とを調節することができる。

特にそのような一次燃焼領域において、好適には熱的に非常に酷使される、火炎管のこの軸方向の部分を冷却するために、ハウジングは、有孔板に燃焼空気を供給するためのリング状チャンバを備えてよい。リング状チャンバは好ましくは、供給される燃焼空気すべてが、有孔板の冷却用開口部を通って火炎管に供給されるように形成されており、このために、軸方向に好ましくは基本的に一次燃焼領域において延在してよい。有孔板は、リング状チャンバを径方向内側から画定もしくは定義してよく、このために、外部から有孔板と接しているリング状チャンバを越えて、片面あるいは両面で軸方向に延在してよい。リング状チャンバを越えて軸方向に延在する、有孔板の領域が、外部ハウジングの一部を形成するのであれば、リング状チャンバは外部から、構造上特に有利に外部ハウジングの一部として当該外部ハウジングに取り付けられている有孔板にかぶさっていてよい。

有孔板は、好ましい実施形態においては、１つあるいは両端面側の端部で分離不可能にハウジングに固定されており、特に当該ハウジングと、溶接、接着、コーキングおよび／あるいは鋲着されている。これによって構造上の負荷を、ハウジングと有孔板との間で特に都合よく伝達することができる。同様に、ガスタービン燃焼チャンバの取り付けと取り外しの可能性を改善するために、有孔板をその両端面側の端部の少なくとも１つで分離可能にハウジングに固定することも可能である。

有孔板は、ハウジングの一部を形成してよい。特に有孔板は、燃焼空気供給部を外界に対して画定する１つあるいは複数の部分を備えてよい。そのような部分は、冷却用開口部を有する部分と１つあるいは複数の部分から成って形成されていてよく、特に互いに一緒になって原型が作られ、あるいは変形され、あるいは溶接されていてよい。

有利な実施形態においては、ハウジングは少なくとも有孔板の領域において、ほとんどリブなしで形成されていてよい。

好ましい実施形態に従えば、ガスタービン燃焼チャンバは、好適にはリング状のプレートを有する径方向の旋回発生器を備え、当該プレートはハウジング特に外部ハウジングの一部を形成しあるいはハウジングに固定されていてよい。プレートには、有孔板の、端面側の端部が固定されていてよい。

構造上の負荷をハウジングと、取り付けられた有孔板とで本発明に従って分配することによって、ハウジングを有利なことに、壁をより薄く形成することができる。好適には、ハウジングと有孔板の対応する１つあるいは複数の領域が、ほぼ同一の壁の厚みを備える。対応する領域として、特に、燃焼チャンバの軸方向に同一の高さにある領域が示される。

好ましい実施形態においては、火炎管は、その上流の端面側の端部でハウジングと軸方向に固定されている。有孔板を両側で繋げることによって、燃焼チャンバの上流の頭部領域において、より大きな遊びもしくはより大きな熱膨張が生じ得、その結果、固定・浮動軸受けされた火炎管の固定軸受をそこに備えることは有利であり得る。

好適には、より大きな構造剛性もしくは構造強度を提供するために、有孔板はほぼ円柱形に形成されている。

さらなる利点と特徴は、従属請求項と実施例とからもたらされる。このために、部分的に概略化されて示されるのは以下である。

外側にある２つの燃焼チャンバを有する、従来技術に従ったガスタービンである。 本願発明の実施形態に従ったガスタービン燃焼チャンバの、軸方向もしくは長手方向の断面図である。

冒頭で述べたように、図１は、外側に配設された２つの燃焼チャンバを有している、従来技術に基づくガスタービンを表わす。図１では、当該燃焼チャンバのハウジング１００は補剛リブ１１０によって補剛されているので、当該補剛リブのより大きな重量によって操作が困難となり、且つ、当該補剛リブの下に位置すると共にハウジング１００が固定されているタービンハウジングに負荷が作用する。

図２は、図１に表わす燃焼チャンバではなく、本願発明の実施形態におけるガスタービン燃焼チャンバの軸方向すなわち長手方向の断面図を示している。

当該燃焼チャンバの内部では、火炎管２が燃焼室の境界を規定している。当該燃焼室には、径方向の旋回発生器５を介して燃焼空気・燃料混合気Ｂが供給され、基本的に、燃焼室又は火炎管内室の円筒状の一次燃焼ゾーンで燃焼され、排ガスＡが一次燃焼ゾーンからタービン（図示しない）に供給される。

特に一次燃焼ゾーンの領域における火炎管を冷却するために、当該火炎管は、冷却用開口部４を備えている円筒状の有孔板３によって取り囲まれている。圧縮された燃焼空気Ｌが、冷却用開口部４を通じて外部から火炎管２に吹き付けられた後に、火炎管２に沿って旋回発生器５に向かって流れ、旋回発生器５によって旋回され、燃料と混合される。

燃焼チャンバの外部ハウジング１は、一次燃焼ゾーンの領域において円筒状の有孔板にすべての燃焼空気を供給するために、互いに溶接された板部分から形成されていると共に複数の部分から成るリング状チャンバ１を形成する。

１つの部分から成る有孔板３は、溶接箇所８を介して、一方では旋回発生器５のリング状のプレート６に、又は外側に位置する燃焼チャンバをタービンハウジング（図示しない）に固定するためのフランジに、各端面において固定されており、他方ではリング状チャンバ１に固定されている。その結果として、両端面側の端部領域３．１，３．２が、外部ハウジングの不可欠な部分を形成する。図示しない変形例では、有孔板は軸方向に複数の部分から成り、中心部分と共に形成されており、当該中心部分は冷却用開口部４を備えており、各端面側において、リング状チャンバ１又は有孔板のエッジストリップ３．１，３．２に溶着されている。

旋回発生器５のプレート６は、又は、当該実施例では外部ハウジングの一部を形成する有孔板３が溶着されているフランジは、ネジ接合部７．１，７．２を介して、蓋又はタービンハウジング（図示しない）と接合されている。

特に、リング状チャンバ１において高圧力レベルで圧縮された燃焼空気Ｖが外部ハウジングに及ぼす軸方向の力は、本発明に従って、支持構造としての有孔板３をハウジング構造に内蔵することによって、部分的に有孔板に受け止められ且つ伝達される。円筒状の有孔板３を、有孔板３を取り囲むリング状チャンバ１にリング状に両側で繋ぐことによって、リング状チャンバ１は径方向においても強化され且つ補剛される。

ハウジング１の負荷を伝達するための有孔板３が形成され、ハウジング１の負荷を伝達するために、有孔板３がその端面側の端部３．１，３．２においてハウジングに固定されることによって、有孔板３は、冷却するための燃焼空気Ｖを火炎管２に向け、旋回発生器５に導くという機能に加えて、ハウジングを強化することができる。従って、当該ハウジングは、接合された有孔板によって強化された領域においてリブを必要としないので、軽量に形成することができる。

有孔板３の壁厚とハウジング１の壁厚とは略同一であるので、有孔板は、特により負荷が小さい領域３．１，３．２において外部ハウジングを直接形成可能な点において優位であり、これによって、燃焼チャンバがよりコンパクトに構成される点において有利であり、製造技術上より好都合になる。有孔板がリング状チャンバの径方向内側の境界を形成し、それに続いて、外部ハウジングである領域３．１，３．２において燃焼空気の旋回発生器への供給を定義することによって、構造上有利な手法によって、火炎管の冷却のためにすべての燃焼空気を利用することができる。同時に、リング状チャンバ１が、リング状チャンバ１を越えて軸方向に突出する有孔板３の外部を覆うことによって、当該有孔板は構造上有利な手法によって取り付け可能とされ、当該有孔板の端面側の縁部領域３．１，３．２が外部ハウジングの一部として機能する。

１ （外部）ハウジング（のリング状チャンバ）
２ 火炎管
３ 有孔板
３．１ 端面
３．２ 端面
４ 冷却用開口部
５ 旋回発生器
６ プレート
７．１ ネジ接合部
７．２ ネジ接合部
８ 溶接箇所
Ａ 排ガス
Ｂ 燃焼空気・燃料混合気
Ｌ 燃焼空気

Claims (15)

1. ハウジング（１）と、前記ハウジングに収容された火炎管（２）と、前記火炎管を少なくとも部分的に取り囲み、かつ端面側の１つの端部（３．１）で前記ハウジングに固定されている有孔板（３）とを有しているガスタービン燃焼チャンバにおいて、
   前記有孔板が、その端面側の別の端部（３．２）で同様に前記ハウジングに固定されていることを特徴とするガスタービン燃焼チャンバ。
2. 前記ハウジング（１）の負荷を伝達するための前記有孔板（３）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
3. 前記ハウジングが、１つ又は複数の部分から成る外部ハウジング（１）であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
4. 前記有孔板が、前記火炎管の少なくとも一次燃焼領域において、該火炎管（２）の衝突冷却のための冷却用開口部（４）を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
5. 前記有孔板が、少なくとも１つの端面側の端部（３．１，３．２）において分離不能に前記ハウジングに固定されており、特に前記ハウジングと溶接されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
6. 前記有孔板（３）が、１つ又は複数の部分から形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
7. 前記有孔板（３）が、前記ハウジング（１）の一部を形成していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
8. 前記ハウジングが、少なくとも前記有孔板の領域において、リブを備えずに形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
9. 径方向の旋回発生器（５）が、前記有孔板の端面側の１つの端部（３．１）が固定されているプレート（６）を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
10. 前記ハウジングの壁厚と前記有孔板の対応する少なくとも１つの領域の壁厚とが、略同一とされることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
11. 前記火炎管（２）が、前記火炎管（２）の上流の端面側の端部において、前記ハウジングと軸方向に固定されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
12. 前記有孔板（３）が、略円柱状とされることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
13. 前記ハウジングが、特に前記有孔板（３）によって形成されているリング状チャンバ（１）であって、前記有孔板に燃焼空気（Ｌ）を供給するための前記リング状チャンバ（１）を備えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼チャンバ。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の少なくとも１つのガスタービン燃焼チャンバを有しているガスタービン、特に固定して設けられているガスタービン。
15. 外側に位置する前記ガスタービン燃焼チャンバが、ネジ接合部（７．１，７．２）を介して、蓋及び／又はベースハウジングと接合されていることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービン。

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